Análisis de la historia de desarrollo, estado del mercado y tendencia de desarrollo de las palas de turbina

Historia y tendencias de desarrollo de las palas de turbina

Las palas de turbina se dividen en dos categorías: palas guía de turbina y palas de trabajo de turbina.

La función principal de las palas guía es ajustar la dirección de flujo de los gases de escape de la cámara de combustión. La temperatura de operación del material puede alcanzar más de 1,100 ° C, y el esfuerzo soportado por las aletas guía de la turbina generalmente es menor a 70MPa. Este componente suele descartarse debido a la deformación causada por el gran esfuerzo térmico, grietas por fatiga térmica causadas por cambios bruscos de temperatura y quemaduras causadas por temperaturas locales excesivas.

Las palas de la turbina se encuentran en el motor de turbina con la temperatura más alta, el estrés más complejo y el entorno más adverso. Este componente debe soportar altas temperaturas y grandes esfuerzos centrífugos y térmicos. La temperatura que soporta es 50-100 ℃ más baja que las correspondientes aletas guía de la turbina, pero al rotar a alta velocidad, debido a los efectos de la fuerza aerodinámica y la fuerza centrífuga, el esfuerzo en el cuerpo de la pala alcanza 140MPa y en la raíz alcanza 280-560MPa. La mejora continua de la estructura y materiales de las palas de la turbina se ha convertido en uno de los factores clave para mejorar el rendimiento de los motores de avión.

Las palas de la turbina, el eje de la turbina, el disco de la turbina y otros componentes juntos forman la turbina de un motor de avión. La turbina es la fuente de energía que impulsa el compresor y otros accesorios. La turbina se puede dividir en dos componentes: el rotor y el estator:

Rotor de turbina: Es una unidad compuesta por las palas de la turbina, ruedas, ejes y otras partes móviles montadas en el eje. Es responsable de absorber el flujo de aire de alta temperatura y alta presión hacia el quemador para mantener el funcionamiento del motor. El rotor de la turbina trabaja a alta temperatura y alta velocidad y transmite una gran potencia, por lo que sus condiciones de trabajo son extremadamente duras. Al trabajar a alta temperatura, el rotor de la turbina debe soportar una fuerza centrífuga extremadamente alta y también está sujeto al efecto del par aerodinámico, entre otros. El entorno de alta temperatura reducirá la resistencia ultimate del material de las palas de la turbina y también causará deformación y erosión del material de las palas.

Estator de turbina: Está compuesto por las palas guía de la turbina, el anillo exterior y el anillo interior. Está fijado en la carcasa y su función principal es difundir y rectificar el flujo de aire para que el siguiente rotor de turbina cumpla con el triángulo de velocidades de las palas de trabajo de la turbina.

Para mejorar los indicadores de rendimiento, como la relación empuje-peso, se incrementan constantemente los requisitos de tolerancia a altas temperaturas y alta velocidad del viento para las palas de los motores aeronáuticos y turbinas de gas. En los motores turbofán aeronáuticos principales, el compresor accionado por la turbina tiene un máximo de

El aire que entra en el motor de turbina gira a una alta velocidad de miles de revoluciones por segundo. El aire se comprime gradualmente en el compresor. La relación de compresión del compresor multietapa puede alcanzar más de 25. El aire comprimido entra en la cámara de combustión del motor, se mezcla con el combustible y arde. La llama del combustible necesita quemarse de manera estable en el flujo de aire a alta presión que fluye a una velocidad superior a los 100m/s.

El flujo de gas a alta temperatura y alta presión procedente de la cámara de combustión impulsa las palas de la turbina a rotar a una velocidad de miles a decenas de miles de revoluciones por minuto. Por lo general, la temperatura antes de la turbina supera el punto de fusión del material de las palas de la turbina. Durante el funcionamiento, las palas de turbina de los motores modernos suelen tener que soportar temperaturas de 1600~1800 ℃ , velocidades de viento de aproximadamente 300 m/s y la enorme presión del aire que estas causan.

Las palas de turbina deben funcionar de manera fiable durante miles a decenas de miles de horas en un entorno de trabajo extremadamente severo. Las palas de turbina tienen perfiles complejos y utilizan una gran cantidad de tecnologías avanzadas de fabricación, como la solidificación direccional, metalurgia en polvo, fundición por inversión de hojas huecas complejas, fabricación de núcleos cerámicos complejos y procesamiento de microagujeros.

Las palas de turbina son uno de los componentes de las "dos máquinas" que tienen más procesos de fabricación, el ciclo más largo y la tasa de aprobación más baja. La fabricación de palas de turbina huecas complejas se ha convertido en la tecnología central en el desarrollo actual de las "dos máquinas".

Estado del mercado y tendencias de desarrollo

Las palas en motores aeronáuticos y turbinas de gas incluyen principalmente palas de ventilador, palas de turbina y palas de compresor, de las cuales el valor de las palas de turbina representa aproximadamente el 60% del costo total de las palas. En comparación con las palas de ventilador, los materiales de las palas de turbina son más valiosos y difíciles de procesar.

Como componente importante del extremo caliente del motor, las palas de la turbina requieren el uso de materiales de aleación de alta temperatura. Su tecnología de fundición tiene requisitos elevados y algunos recursos minerales metálicos son escasos. En cuanto al proceso de fabricación, las palas de la turbina generalmente utilizan la colada bajo cera para lograr paredes finas y estructuras de enfriamiento complejas. La dificultad de fabricación es significativamente mayor que la de otras palas.

Por ejemplo, los motores CFM56 ampliamente utilizados en la serie Boeing 737 y Airbus 320 tienen más de mil palas de turbina, cada una con un costo superior a los 10,000 yuanes. El precio unitario de ciertas partes de las palas de turbina incluso supera los 100,000 yuanes.